基于個(gè)性化組織等效體模的肺癌三維適形放療計(jì)劃算法比較

賀瑤瑤，荊亮，黃曉鏵，鞠楠，張福全，潘玨宇，邱建峰，邢曉穎，劉雯倩，侯立霞

1.山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究中心，山東泰安271016；2.Imaging-X聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，山東泰安271016；3.山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）放射學(xué)院，山東泰安271016；4.泰安市腫瘤醫(yī)院放療科，山東泰安271000

前言

放射治療是腫瘤治療的重要方法之一，其要求是向腫瘤提供盡可能高的輻射劑量，同時(shí)盡量減少病灶周圍正常組織毒性［1-2］。而放療模擬、計(jì)劃和劑量實(shí)施的高精確性是長(zhǎng)期以來對(duì)放療的要求［3-4］。因此，了解放射治療計(jì)劃系統(tǒng)（Treatment Planning System,TPS）中各種算法對(duì)提高三維放療的準(zhǔn)確性有著重要意義［5］。而3D打印技術(shù)結(jié)合等效材料可制作出相應(yīng)的組織等效體模并且可用于比較不同算法的準(zhǔn)確性［6-7］。因此，本研究旨在通過制作組織等效肺部體模來比較TPS中蒙卡算法（Monte Carlo,MC）、光子筆形束卷積算法（Pencil Beam Convolution,PBC）和筒串卷積算法（Collapse Cone Convolution,CCC）在計(jì)算肺部腫瘤和周圍正常組織輻射劑量的差異。

1 材料與方法

1.1 3D個(gè)性化體模設(shè)計(jì)

回顧性分析飛利浦模擬定位CT中1例患者胸部圖像。將匿名患者胸部DICOM圖像導(dǎo)入Mimics Research 17.0圖像分析軟件（比利時(shí)Materialize公司），劃分出脂肪組織、肌肉組織、肺組織、肋骨及胸骨，并使用閾值法分別對(duì)不同組織染色、建模，并對(duì)脂肪組織、肺組織進(jìn)行殼處理，如圖1所示。

如圖1所示，粉紅區(qū)域代表脂肪組織，肌肉組織區(qū)域沒有染色，藍(lán)色區(qū)域代表肋骨。紫色區(qū)域代表肺組織，淺紫區(qū)域代表肩胛骨將三維模型進(jìn)行潤(rùn)滑處理、噪聲消除（Magic10.0，比利時(shí)Materialize公司）后將各個(gè)模型轉(zhuǎn)換為立體光刻（Stereolithography,STL）格式，并導(dǎo)入3D打印機(jī)（OBJET500，美國(guó)Stratasys公司），如圖2所示。

1.2 等效組織材料選擇

對(duì)骨組織使用高分子樹脂活性材料打印即可達(dá)到仿真目的；對(duì)脂肪組織外殼、肺組織外殼使用ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）材料打印。將融化的M3蠟混合CaCO3、MgO（質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比：87%M3蠟、12%MgO、1%CaCO3）灌注至脂肪組織外殼，冷卻凝固，達(dá)到脂肪組織仿真目的。使用加入1%NaCl、1%珍珠粉、2.5%瓊脂糖的水凝膠灌注，冷卻凝固，實(shí)現(xiàn)肌肉組織仿真。肺組織使用發(fā)泡硅膠填充，并將由3%瓊脂糖制作而成的直徑4 cm球形腫瘤組織擺放至肺內(nèi)合適位置。等效組織材料如表1所示。等效組織材料灌注時(shí)對(duì)腫瘤組織、脊髓、肺內(nèi)正常組織3個(gè)待測(cè)點(diǎn)預(yù)留插入電離室的位置，并用相對(duì)應(yīng)的等效材料制作用于填補(bǔ)預(yù)留位置的仿真塊。體模如圖3所示。

圖2 胸部體模不同組織三維模型圖Fig 2 Three-dimensional model maps of different tissues of the thorax phantom

表1 患者與體模對(duì)應(yīng)模仿組織CT值的比較Tab 1 Comparison of CT values in a patient and the phantom

圖3 等效胸部體模Fig 3 Equivalent thorax phantom

1.3 放療計(jì)劃設(shè)計(jì)

將已填補(bǔ)空缺的體模放置定位CT機(jī)下掃描（層厚3 mm），并對(duì)體模定位標(biāo)記。采集到的CT圖像導(dǎo)入TPS系統(tǒng)（瑞典醫(yī)科達(dá)Monaco 5.11），勾畫靶區(qū)，處方劑量2 Gy，并將患者的實(shí)際投照計(jì)劃應(yīng)用于體模中。在TPS中，分別使用PBC、CCC和MC算法計(jì)算各個(gè)組織劑量。處方劑量被要求覆蓋至少95%的計(jì)劃靶區(qū)（PTV），如果計(jì)劃的PTV滿足處方劑量的要求，則產(chǎn)生劑量-體積直方圖。

1.4 劑量測(cè)量

取出預(yù)留腫瘤組織的仿真塊，插入電離室（PTW 30013型），采集CT圖像，經(jīng)影像融合與最初采集到的CT圖像圖層一一配準(zhǔn)，使靶區(qū)和最初采集到的CT圖層上勾勒一致。將投照計(jì)劃用至腫瘤組織插入電離室掃描CT圖像上，找到測(cè)量點(diǎn)，在TPS中用3種算法（即PBC、CCC、MC算法）計(jì)算腫瘤組織測(cè)量點(diǎn)劑量大小。將體模移至醫(yī)用直線加速器（醫(yī)科達(dá)）下，如圖4所示，執(zhí)行照射計(jì)劃。通過電離室鏈接劑量?jī)x（PTW UNIDOS E型）得到腫瘤組織測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量值。同樣，應(yīng)用影像融合將投照計(jì)劃用至正常組織與脊髓的測(cè)量點(diǎn)，記錄并比較算法計(jì)算劑量與實(shí)際測(cè)量劑量偏差。

圖4 體模在醫(yī)用直線加速器下Fig 4 Phantom under medical linear accelerator

2 結(jié)果

2.1 CT值比較

對(duì)患者真實(shí)CT值和體模對(duì)應(yīng)組織的CT值進(jìn)行比較?；颊叩闹窘M織、肌肉組織、骨和腫瘤的CT值分別為（-80±20）、（60±30）、（265±135）和（55±25）HU，等效體模相對(duì)應(yīng)的組織CT值分別為（-100±30）、（40±20）、（210±90）和（33±16）HU。

2.2 劑量比較

電離室實(shí)測(cè)腫瘤組織劑量為213.70 cGy，肺部正常組織劑量為53.85 cGy，脊髓組織劑量為4.10 cGy。MC、PBC、CCC算法在腫瘤組織所測(cè)的劑量分別為214.1、215.1、214.6 cGy，與實(shí)測(cè)誤差分別為0.18%、0.66%、0.42%；在肺部正常組織所測(cè)劑量分別為55.2、52.5、54.4 cGy，與實(shí)測(cè)誤差分別為2.51%、-2.51%、1.02%；在脊髓組織所測(cè)劑量分別為4.5、1.9、4.4 cGy，與實(shí)測(cè)誤差分別為9.76%、-53.66%、7.32%，如圖5所示。

3 討論

圖5 各算法計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值誤差的比較Fig 5 Comparison of calculated values and measured values

在放射治療中，3D打印技術(shù)可應(yīng)用于生產(chǎn)組織等效體模，打印等效組織模型［6,9-10］，適用于機(jī)器校正、質(zhì)量保證、劑量驗(yàn)證、教學(xué)與科研等［11-13］。Kairn等［9］利用ABS材料及其不同填充密度進(jìn)行肺部3D打印。同時(shí)，3D打印個(gè)性化組織等效仿真體模技術(shù)［14］，有助于患者放療計(jì)劃的劑量實(shí)施［6］。個(gè)性化組織等效體模利于對(duì)病人個(gè)體的放療計(jì)劃進(jìn)行先期驗(yàn)證，比較不同算法的準(zhǔn)確性［6］。一些實(shí)驗(yàn)比較了不同算法對(duì)劑量分布的影響［10,15］。Borges等［15］比較4種不同放射治療技術(shù)治療乳腺癌的影響（包括病灶和周圍健康組織），同時(shí)比較2種算法對(duì)劑量分布的驗(yàn)證。

本研究通過比較等效體模測(cè)量點(diǎn)算法計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值的輻射劑量差異來比較TPS系統(tǒng)中MC、PBC與CCC算法在計(jì)算肺癌三維立體定向放療計(jì)劃的差異。結(jié)果顯示MC與CCC算法在計(jì)算腫瘤組織、肺部正常組織和脊髓的劑量較實(shí)測(cè)稍高，MC算法計(jì)算腫瘤組織劑量的準(zhǔn)確度比CCC算法高，但計(jì)算肺部正常組織與脊髓劑量的準(zhǔn)確度低于CCC算法。PBC算法在計(jì)算脊髓組織劑量上誤差較大?？紤]可能因PBC算法在非均勻組織計(jì)算中未考慮計(jì)算點(diǎn)周圍散射線的影響，使得PBC算法在計(jì)算脊髓劑量與實(shí)際測(cè)量的差異大，此結(jié)果與Borges等［15］和Hoffmann［16］研究類似。Borges等［15］結(jié)果顯示PBC算法高估了PTV的劑量，同側(cè)肺和心臟的劑量高于iMC（commercial Monte Carlo）算法預(yù)測(cè)的劑量。Hoffmann［16］實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，AAA（Anisotropic AnalyticalAlgorithm）算法在大多數(shù)治療計(jì)劃中肺和縱隔區(qū)域的劑量計(jì)算偏差低于3%。雖然，AAA算法在異質(zhì)性體模中的劑量計(jì)算優(yōu)于PBC算法，但該算法低估脊髓的劑量高達(dá)7%。本研究中PBC算法的誤差卻達(dá)到50%以上，個(gè)性化等效體模、體模材料的選擇以及填充體模材料完成度都有可能會(huì)造成誤差，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有一定的影響。

熔融堆積技術(shù)在3D打印領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，可能在生產(chǎn)過程中發(fā)生形變［17-18］。因此本研究中肋骨等使用光敏樹脂材料，有助于提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性［19-20］。本研究的體模源于患者的真實(shí)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)良好的組織外部形態(tài)相似性以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真性，體模的精確度高，能確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性并減少對(duì)患者一定的電離輻射危害［21-22］。與Mayer等［23］的研究相比，本研究中體模的CT值更接近實(shí)際人體組織，且成本更低。

本研究有一定的局限性：（1）3D打印機(jī)規(guī)格限制了3D打印體模的尺寸，對(duì)于較大的身體區(qū)域（如胸部體模），體模必須分成幾個(gè)部分，然后打印出來并粘接成一個(gè)完整的部分；（2）等效組織材料多為溶液灌注并冷卻成形，溶液的濃度會(huì)影響體模的均勻性和輻射衰減特性；（3）本研究只用1例患者的樣本數(shù)據(jù)來分析，過于單薄片面。

4 結(jié)論

本研究通過比較TPS系統(tǒng)的PBC、CCC、MC算法分別對(duì)肺部正常組織、腫瘤組織和脊髓3個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行劑量計(jì)算，結(jié)果顯示PBC算法在計(jì)算脊髓組織劑量方面誤差很大，因放射治療對(duì)精確度的要求高，不推薦使用PBC算法。